Резонанс токов: суть процесса, условия возникновения, признаки

Вопросы и ответы

Суть процессов, происходящих при резонансе

Резонанс токов и напряжений – это процесс, в результате которого происходит усиление амплитуды сигнала. В то же время токовый резонанс (РТ) является более эффективным методом управления, так как даже при небольшом увеличении этого параметра электрической цепи значительно возрастает амплитуда сигнала.

Резонанс напряжения не может вызвать такого эффекта даже после заметного усложнения схемы устройства.

Токовый резонанс возникает в цепи переменного тока, для которой частота питающей сети создает одинаковое значение напряжения на основных элементах цепи — дросселе L, конденсаторе C и резисторе R.

При этом фазы напряжения противоположны. Частоты петли изменяются из-за изменения абсолютных значений частоты. Таким образом, токовый резонанс используется, если возникает необходимость создать определенную частотную характеристику для конкретного участка цепи.

Условия возникновения резонанса электрических токов могут быть реализованы только при параллельном соединении дросселя, конденсатора и резистора. Основными признаками резонанса являются сходство резонансной частоты с частотой источника электрического тока или индуктивно-емкостной линии BL=BC.

Изучая, что такое резонанс токов, следует понимать, что полный ток в электрической цепи есть сумма токов в ее ветвях. В индуктивной ветви электрический ток отстает от электрического напряжения на ¼ периода, а в емкостной, наоборот, электрический ток опережает электрическое напряжение на ¼ периода.

Следовательно, электрические токи в ветвях сдвинуты по фазе друг относительно друга на ½ периода, т е находятся в противофазе. Вектор полного электрического тока в колебательном контуре равен геометрической сумме векторов электрического тока в каждой из ветвей.

Виды резонансных явлений

Рассмотренные эффекты по-разному проявляются в газовой среде и в твердых телах. Они могут возникать в электрической цепи с реактивными компонентами. При определенных условиях резонансное воздействие разрушит кирпичный дом или сломает стены крепкого котла паровой машины.

Правильное использование этого явления помогает повысить помехоустойчивость радиоаппаратуры и успешно решать другие практические задачи.

Механический резонанс

Для расчета параметров механической системы можно продолжить изучение маятника. Естественное движение качелей замедляется трением функциональных компонентов, сопротивлением воздуха. Для предотвращения затухания колебаний необходимо приложить внешнюю силу (F). Согласование частот обеспечит максимальную эффективность. Алгоритм расчета механического резонанса показан ниже.

Период (T) определяется по формуле T = 2π√(L/g), где g — константа ускорения свободного падения (≈9,8 м/с2). Собственная частота конструкции v = 1/T. Если добавить определение второго закона Ньютона (прямая пропорциональность импульса системы силе и времени (Δt) удара), частота может быть выражена как:

v = ((F* Δt)/m) * N,

куда:

  • N — количество импульсов;
  • m – общий вес груза.

Поскольку в замкнутом контуре энергия сохраняется (идеальный пример — без потерь), допустимо использовать следующие пропорции:

(m*v2)/2 = m*g*h = m*g*L*(1-cos α).

Из этих комбинаций путем простых преобразований получаются две формулы для расчетов:

  • N = (m/(F* Δt)) * √(2*g*L*(1-cos α));
  • t (общее время выполнения N колебаний) = N*T = (2π*m*L)/(F* Δt)) * √(2*(1-cos α)).

Путем подстановки некоторых начальных значений вычисляется частота необходимых резонансных колебаний:

  • т = 100 кг;
  • Ф = 10Н;
  • Д = 200 см;
  • что = 1 с;
  • N = 34;
  • т = 96;
  • Т = 2,8 с.

Электрический колебательный контур

Явление резонанса можно наблюдать в цепях переменного тока при совпадении частот источника тока (сигнала) и реактивных составляющих в цепи. В этом случае электрическое сопротивление можно рассматривать как аналог сил трения в механической системе.

Для создания необходимых условий можно использовать параллельное соединение типовых элементов (R, L и C). При равенстве импедансов реактивных составляющих при определенной частоте суммарное значение токов в соответствующих цепях будет больше тока источника тока.

Графика на рисунке показывает векторное представление электрических параметров. В этом режиме имеет место равномерное распределение энергетического баланса колебательного процесса, который поддерживается конденсатором и индуктором.

Для расчетов необходимо уточнить влияние каждой составляющей. Емкость создает препятствие прохождению тока, определяемое по формуле:

Xc = 1/(2π*f*C),

куда:

  • Хс — сопротивление;
  • f – частота;
  • С — емкость.

Индуктивный термин определяется следующим образом:

XL = 2π*f*L.

Сопротивление контура:

Z = √R2 + (2π*f*L — 1/(2π*f*C)2.

С одинаково реактивными компонентами легко сделать вывод, что 2π*f*L = 1/2π*f*C. Частота, при которой появляется резонанс, рассчитывается по формуле:

Фрезонанс = 1/2π * √ (L*C).

Условия резонанса напряжения в последовательной цепи

Сложные колебательные структуры

Если для соединения двух колебательных контуров используется трансформатор, расчет усложняется. Для создания необходимых условий реактивные компоненты равны.

При увеличении этого параметра выше критического уровня (К>Ккр) формируется двугорбая кривая. Максимальная пропускная способность определяется выражением K = 0,7 * Kmax. Дальнейшее усиление соединения образует каплю в средней части.

Нелинейные системы

При отсутствии симметричных реакций на внешние воздействия явления резонанса проявляются особым образом. В частности, наличие в схеме катушки с ферритовым сердечником значительно усложняет точный расчет. В таких материалах магнитные свойства определяются нелинейным распределением элементарных компонентов.

Частотное условие для возникновения РТ

В цепи синусоидального тока, содержащей R, L и С составляющие, можно получить режим, когда показатель индуктивного сопротивления оказывается идентичным по величине показателю емкостного сопротивления. Другими словами, XL=XC. Место, где это происходит, называется точкой формирования резонансной частоты (ƒr) электрической цепи. Наличие такой точки является обязательным условием резонанса токов.

Резонанс может быть двух видов:

  • последовательный;
  • параллельно.

Последовательный тип резонанса характеризуется минимальным сопротивлением на нулевой фазе. Параллельный резонанс возникает, когда сопротивления индуктивности и емкости равны, но компенсируют друг друга, так как противоположно направлены. Параллельный тип более распространен и часто встречается в различных электрических, радио и электронных устройствах, таких как:

  • фильтрующие блоки систем переменного тока;
  • фильтры, предназначенные для шумоподавления;
  • системы настройки радио и телецентров.

Параллельный колебательный контур также называют RLC-контуром. Это связано с сокращением физических величин, присущих элементам, входящим в состав этой цепи, — сопротивлению, индуктивности и емкости. Для него характерны следующие особенности.

С увеличением индуктивности или АЧХ сигнала общее значение индуктивного сопротивления увеличивается. В случае, когда показатель частоты стремится к бесконечности, реактивное сопротивление катушек индуктивности резко возрастает, и участок цепи, где это происходит, ведет себя как разомкнутая цепь.

Но в обратном случае может возникнуть обратный эффект, проявляющийся в виде короткого замыкания при нулевом сопротивлении. Это происходит, если индуктор имеет сопротивление:

  • Пропорционально изменению частотной характеристики.
  • Плохая реакция на изменения в низкочастотном диапазоне.
  • Сильно реагирует на изменения высоких частот.

В таких случаях величина индуктивного (реактивного) сопротивления катушки увеличивается прямо пропорционально увеличению АЧХ. На конденсаторе наблюдается аналогичный эффект, но в обратном порядке. Если вы хотите изменить (увеличить) параметры схемы, уменьшите значение емкости.

Если частота электрической цепи приближается к бесконечности, сопротивление конденсаторов практически становится равным нулю. В результате эти компоненты в устройстве становятся 100% проводниками переменного тока с нулевым сопротивлением. Но в этом случае происходит мгновенное увеличение реактивной составляющей сопротивления, и цепь становится разомкнутой.

Подводя итог, можно сделать вывод, что реактивное сопротивление конденсатора изменяется обратно пропорционально изменению частоты, и номинальная емкость компонента роли не играет.

Зависимость значений сопротивления конденсатора от частоты цепи представляет собой гиперболическую функцию. На низких частотах реактивное сопротивление конденсатора велико, но с увеличением АЧХ оно быстро уменьшается. Отсюда можно сделать вывод, что величина сопротивления конденсатора зависит от частоты обратно пропорционально.

На графиках выше видно, что на большей частоте наблюдается максимум XL, а на низкой частоте наблюдается максимум XC. Следовательно, резонанс возникает при условии, что изменения двух противоположных, но равных по величине реактивных сопротивлений, наложенных друг на друга, уравнивают новые свойства при пропускании переменного тока малой мощности, т е соблюдается условие XL=XC.

Расчёт месторасположения частотной точки при РТ

В случае появления РТ происходит математическое уравновешивание значений реактивного сопротивления, т.е справедливо равенство XL–XC=0. При объединении индуктивного и емкостного сопротивлений в цепи может произойти короткое замыкание (из-за малой силы тока разрушения цепи обычно не происходит).

Ограничивающим фактором является наличие в электрической цепи ненулевого полного сопротивления R, которое называется импедансом.

Для цепей переменного тока сопротивление рассматривается в комплексной форме. В этом случае полное сопротивление цепи, состоящей из сопротивления, емкости и индуктивности, является действительной, а не мнимой частью. Приняв это допущение, импеданс электрической цепи в случае резонансной частоты равен величине активного сопротивления: Z=R.

При RT импеданс минимален, поэтому понятие импеданса цепи иногда называют динамическим. При преобладании высоких частот импеданс зависит в основном от ХС, а при низких частотах — от XL.

Важно, что в ситуации, когда в цепи присутствуют компоненты с емкостью, кривая зависимости импеданса от частоты переменного тока всегда имеет вид гиперболы. Функция может быть несимметричной относительно fr, если влияние индуктивности велико.

В том случае, когда полное сопротивление цепи имеет минимальное значение (а это часто отмечается именно при резонансе токов), проводимость участка приобретает наибольшее значение. На практике возникновение таких ситуаций может привести к опасному явлению, когда РТ многократно увеличивает ток. В этом случае устройство, скорее всего, выйдет из строя.

Как влияет напряжение

В последовательном включении цепи переменного тока напряжение определяется векторной суммой значений VR, VL и VC. При этом сумма каждых двух определяемых значений напряжения представлена ​​поворотом осей на 90 градусов, как по часовой, так и против часовой стрелки.

Если выполняется равенство VL=–VC, конечные значения реактивных напряжений снимаются, так что напряжение от источника тока поступает исключительно на активный резистор. Другие изменения при наличии короткого замыкания (справа) и отсутствии (слева) видны на рисунке ниже.

Ток, протекающий в последовательно работающей цепи, определяется как сумма произведений напряжения, деленная на значения импеданса. В случае резонанса тока значение импеданса минимально. Поэтому, в отличие от резонанса электрических напряжений, РТ безопасен для электроустановок.

Электрические токи большой величины возможны в ответвлениях только при больших реактивных проводимостях, т е при применении больших конденсаторов, мощных реактивных катушек. В этом нет ничего необычного, так как электрические токи в ветвях взаимно независимы, их определение основано на законе Ома.

Изменения тока, протекающего в последовательном контуре

Амплитуда тока при резонансе в последовательной цепи максимальна.

Рассматривая частотную характеристику последовательного резонансного контура, становится ясно, что фактическая величина тока в условиях RT функционально зависит от ƒr. Сначала ток минимален, при IMAX =IR достигает максимального значения, а затем, по мере стремления значения ƒr к максимальному значению, снова уменьшается.

Вследствие этого фактическое значение напряжения на обмотках катушки индуктивности L и на обкладках конденсатора С может во много раз превышать напряжение, создаваемое источником тока. Но при резонансе эти напряжения равны и направлены противоположно друг другу.

Поэтому возникает суперпозиция напряжений, что приводит к возможности практического применения резонанса токов в радиоэлектронных устройствах. Однако следует помнить, что последовательный резонансный контур справедлив только для определенных значений ƒr.

Значение наибольшего напряжения в цепи последовательного переменного тока обязательно должно совпадать с током в фазе. Фазовый угол между напряжениями зависит от частоты при постоянном напряжении питания и для точки ƒr вообще равен нулю. Соответственно мощность устройства будет наибольшей.

Направление фазового угла можно определить по текущему значению частоты: если ƒ>ƒr, фазовый угол следует отсчитывать против часовой стрелки, иначе (ƒ<ƒr) —=»» по=»» часовой=»»>

Когда цепь RLC управляется от источника постоянного напряжения, фактическое значение тока линейно зависит только от импеданса цепи. Таким образом, важным следствием резонанса токов является максимальное значение мощности, необходимой для работы устройства. При этом образуются две точки, которые называются точками половинной мощности.

Для устройств, занимающихся формированием и обработкой звуковых сигналов, эти точки располагаются в зонах с удалением на 3 дБ от пределов максимальной частоты. При этом за ось симметрии принимается линия, соответствующая 0 дБ.

Для половинной мощности параметр ƒL называется нижним пределом, а ƒH — верхним пределом. Расстояние между этими точками представляет собой так называемую полосу пропускания (BW). На практике пропускная способность — это интервал, в котором реализуется не менее 50% максимальной мощности устройства.

Расчет резонансного контура

Необходимо помнить, что явление, представляемое резонансом тока, требует очень грамотного и тщательного расчета резонансного контура. Особенно важно провести правильный и точный расчет при наличии параллельного подключения, что предотвратит развитие помех в системе

Чтобы расчет был правильным, необходимо определить текущие показатели электрической сети. Стандартная средняя мощность, которая рассеивается в условиях резонансного контура, может быть выражена в среднеквадратичных значениях тока и напряжения.

В резонансных условиях стандартный коэффициент мощности равен единице, а формула расчета:

Для получения максимально точных данных с помощью формул рекомендуется не округлять все значения, полученные в процессе расчета. Некоторые физики рассчитывают значения резонансного контура в соответствии с методом векторной диаграммы активных токовых величин. При этом грамотный расчет и правильная настройка приборов гарантируют достойную экономию при условии переменного тока.

Резонансные контуры в основном используются для выделения сигнала на нужных частотах в результате фильтрации других сигналов, поэтому расчеты независимых контуров должны быть чрезвычайно точными.

Реактивные сопротивления индуктивности и емкости

Индуктивность — это способность тела накапливать энергию в магнитном поле. Он характеризуется фазовой задержкой между током и напряжением. Типичными индуктивными элементами являются дроссели, катушки, трансформаторы, электродвигатели.

Емкость относится к элементам, которые накапливают энергию с помощью электрического поля. Емкостные элементы характеризуются фазовой задержкой между напряжением и током. Емкостные элементы: конденсаторы, варикапы.

Приведены их основные характеристики, нюансы в данной статье не учтены.

Помимо перечисленных элементов, определенной индуктивностью и емкостью обладают и другие, например в электрических кабелях, распределенных по их длине.

Принцип действия резонансных токов

Наглядное представление о резонансе токов дает колебательный контур, используемый в электронных схемах. Он состоит из конденсатора с емкостью С и катушки с индуктивностью L, соединенных параллельно.

В процессе передачи энергии от электрического поля к емкости к магнитному полю к индуктивности возникают автозатухающие колебания с определенной частотой. Возникновение колебаний происходит за счет активного сопротивления R, препятствующего свободному прохождению тока.

Явление резонанса тока возникает в цепи, где конденсатор и катушка соединены параллельно. Их номиналы выбираются таким образом, чтобы токи, протекающие через C и L, были равны. Следовательно, в цепи CL ток будет выше значения в остальной части цепи.

Принцип работы такой схемы следующий. При подаче тока конденсатор накапливает определенное количество заряда, равное номинальному напряжению источника тока. После этого источник отключается, а конденсатор замыкается в цепи так, чтобы на катушку шел разряд.

Через него проходит ток, вызывая тем самым генерацию магнитного поля. В результате создается электродвижущая сила самоиндукции, направленная против тока.

Максимальное значение магнитного поля достигается при полной разрядке конденсатора. Таким образом, вся энергия, запасенная конденсатором, преобразуется в поле магнитной индуктивности. Заряженные частицы продолжают двигаться за счет самоиндукции катушки.

Поскольку обратного тока от разряженного конденсатора нет, его подвергают зарядке, но с обратной полярностью. Это приводит к преобразованию поля катушки в заряд конденсатора и повторению всего процесса. Активная составляющая R приводит к постепенному затуханию колебаний. В этом суть резонанса.

Читайте также: Ремонт выключателей света

Понятие о резонанс токов. Условия его возникновения и способы осуществления

Резонанс токов — это резонанс, возникающий в параллельном колебательном контуре при его подключении к источнику напряжения, частота которого совпадает с собственной частотой контура.

Текущее состояние резонанса: , .

В1 — реактивная проводимость первой ветви,

В2 – реактивная проводимость второй ветви.

Способ возбуждения колебаний в электрической цепи, заключающийся в возбуждении колебаний путем регулирования сигнала, управляющего возбуждением колебаний.

Резонанс токов и его знак

Режим, при котором в цепи, содержащей параллельные ветви с индуктивными и емкостными элементами, ток неразветвленной части цепи находится в фазе с напряжением (φ=0), называется резонансом тока.

Признаки текущего резонанса:

Реактивные составляющие токов ветвей равны IPC = IPL и находятся в противофазе в случае, когда входное напряжение чисто активное;

Токи ветвей превышают общий ток цепи, который имеет минимальное значение и находится в фазе.

мгновенная мощность в цепи синусоидального тока

мгновенная мощность есть произведение мгновенного напряжения на входе в цепь и мгновенного тока.

Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по формулам:

Среднее значение мгновенной мощности за период

Из треугольника сопротивления

Получаем другую формулу:

Среднее арифметическое значение мощности за период называется активной мощностью и обозначается буквой Р.

Эта мощность измеряется в ваттах и ​​характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид энергии, такой как тепло, свет и механическая энергия.

Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость). Активный эффект в этом элементе, так как напряжение и ток в индуктивности или емкости противофазны на 90 о. В реактивных элементах не происходит необратимых потерь электрической энергии, нет нагрева элементов.

Это обратимый процесс в виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности энергообмена вводится понятие реактивной мощности Q.

Преобразуем выражение (6.23):

где — мгновенная мощность в активном сопротивлении;

— мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или емкости).

Максимальное или амплитудное значение мощности p2 называется реактивной мощностью

где x — реактивное сопротивление (индуктивное или емкостное).

Реактивная мощность, измеряемая в реактивных вольт-амперах, используется для создания магнитного поля в катушке индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, запасенная в емкости или индуктивности, периодически возвращается к источнику тока.

Примеры применения на практике

Классический пример применения резонанса к колебательным контурам — настройка радиоприемника на частоту соответствующей радиостанции. В качестве рабочего элемента в блоке настройки используется конденсатор с регулируемой емкостью. При повороте ручки настройки изменяется емкость конденсатора и, следовательно, резонансная частота контура.

В момент совпадения резонансной частоты с рабочей частотой радиостанции возникает резонанс напряжения, в результате чего резко возрастает амплитуда колебаний принимаемой радиостанцией частоты. Специальные фильтры отделяют эти колебания от несущих радиочастот, а усилители усиливают принимаемые сигналы. Звуки, издаваемые передатчиком радиостанции, воспроизводятся в динамике.

Колебательные цепи, построенные по принципу последовательного соединения LC-элементов, применяют в силовых цепях с высокоомными нагрузками, потребляющими токи высокого напряжения. Такие же устройства используются в полосовых фильтрах.

Последовательный резонанс используется при низких напряжениях сети. При этом используется реактивная энергия последовательно соединенных обмоток трансформатора.

Конденсаторы и различные катушки индуктивности входят в конструкцию практически всех аналоговых устройств. Они используются для установки фильтров или для управления потоками в отдельных узлах.

Важно знать, что резонансные цепи не увеличивают количество электрической энергии в цепях. Они могут только усилить напряжение, иногда до опасных значений. Постоянный ток не вызывает резонансных явлений.

Наряду с полезными свойствами резонансных явлений в практической электротехнике часто возникают ситуации, когда резонанс напряжений вреден. В основном это связано с нежелательным увеличением токовых параметров на участках цепи.

Примером могут служить опасные резонансные явления в кабельных линиях без нагрузки, которые могут привести к пробою изоляции. Чтобы этого не произошло, в концевые части таких проводов устанавливают элементы балластной нагрузки.

Использование резонанса напряжений для передачи радиосигнала

Колебательный контур этого типа состоит из последовательно соединенных трех основных элементов: резистора, конденсатора, индуктивности. Подходящим условием резонанса является нулевое сопротивление цепи (комплекс). Для решения этой задачи следует изучить основные формулы.

Комплексное сопротивление Rк=R+j(wL-1/wC). Фиксированное сопротивление (R) не зависит от частоты (w). Так что приходится оперировать с индуктивными и емкостными элементами. Резонансный эффект достигается при (wL-1/wC)=0. Для расчета требуемых значений используйте следующие расчеты:

  • Lp=1/w2*C;
  • Сп=1/w2*L;
  • Wп=1/√L*C.

Из вышеприведенных данных видно, что все параметры можно регулировать, сохраняя при этом два других. В практических схемах удобнее работать с частотой, поэтому давайте подробнее рассмотрим использование этой опции.

Последовательная схема с графиками

На рисунках показаны условия возникновения резонанса напряжения. В точке, отмеченной w0, индуктивная и емкостная составляющие равны на определенной частоте. Небольшой сдвиг влево по оси обусловлен резистивной составляющей в цепи.

Напряжение на конденсаторе (Uc) на резонансной частоте (W0) равно волновому сопротивлению колебательного контура (p=√L/C). Аналогичная разность потенциалов будет на выводах катушки на частоте W0. Эта особенность объясняет специальное название процесса — «резонанс напряжений». Также в электрических расчетах используются следующие определения:

  • Коэффициент качества — Q=p/R;
  • Затухание — 1/Q.

Отмеченные свойства используются в радиоприемной и передающей аппаратуре. Обозначив контуром определенную область, можно настроить станцию ​​на определенную частоту с погрешностью, определяемой параметрами контура.

Для проверки избирательности амплитуда сигнала оценивается по отношению к резонансной частоте. Уровень отклонения 3 дБ в обе стороны (0,7 от максимума) называется полосой пропускания.

Последовательный колебательный контур

В колебательном контуре незатухающие колебания можно получить, если его подключить к источнику переменного тока.
Если источник соединен последовательно с катушкой L и конденсатором С, то такая цепь называется последовательным колебательным контуром (рис. 3).

зубчатый контур

При подключении к цепи внешнего источника возникают не собственные (свободные) колебания цепи, которые определяются значениями L и С, а с частотой напряжения источника U=Um∙sinω∙t.
Такие колебания цепи называются вынужденными.

В случае вынужденных колебаний элементы цепи L, С будут иметь в зависимости от частоты источника определенные индуктивное XL и емкостные сопротивления Xc и соответствующие падения напряжения на них UL, Uc.

Но схема имеет не только реактивные сопротивления, но и активное сопротивление потерь R, которое в принципе равно сопротивлению провода катушки.

Поскольку напряжения в катушке и конденсаторе сдвинуты относительно тока на разные фазовые углы, их можно более наглядно показать на векторных диаграммах (рис. 4)

Напряжение на индуктивном сопротивлении UL опережает ток на 90°, а напряжение на емкости Uc следует за током на тот же угол 90°. И получается, что векторы UL и Uc сдвинуты на 180°, т.е находятся в противофазе.

Вектор напряжения на источнике U будет равен геометрической сумме напряжения вектора UR и вектора разности напряжений реактивных сопротивлений UL-Uc.

Как видно из диаграммы на рис.4а, при UL > Uc напряжение внешнего источника опережает ток в колебательном контуре с углом φ<90° и находится выше оси абсцисс в зоне напряжений индуктивности. Таким образом, в этом случае цепь имеет индуктивное сопротивление.
Если UL < Uc (рис.4б), то вектор истока будет отставать от вектора тока уже на угол φ<90° и цепь будет иметь емкость.

Параллельный колебательный контур

В параллельном колебательном контуре источник сигнала подключен к дросселю и конденсатору параллельно (рис. 11).

При подаче на цепь переменного напряжения происходит обмен энергиями между конденсатором и катушкой, но только в цепи внутри цепи.

Для возникновения резонанса в ней, как и в последовательной цепи, необходимыми условиями являются равенство емкостного Xc и индуктивного XL сопротивлений, а также равенство частоты собственных колебаний в цепи и частоты колебаний тока источник.

Только резонанс в параллельном колебательном контуре, в отличие от резонанса в последовательном контуре, называется резонансом тока.

В идеальной параллельной цепи (без потерь) векторы индуктивного Ic и емкостного тока IL (при XL=Xc) будут направлены в противоположные стороны при резонансе и
полный ток устремится к нулю (рис. 14а). А это значит, что сопротивление цепи будет стремиться к бесконечности.

Но в истинно параллельной цепи имеется сопротивление потерь R, которое в основном сосредоточено в индуктивности (рис. 14б) и поэтому даже при резонансе ток в цепи уже не равен нулю, а равен активному составляющая тока в цепи катушки — Iк = IL + IR.
Это означает, что общее сопротивление цепи Z будет уже не бесконечно, а равно:

Z=L/CR.

На рис. 15 приведен график зависимости тока Ik и импеданса Z параллельной цепи от частоты.

Можно сделать вывод, что в цепи параллельной цепи есть два тока — ток от источника I, протекающий через активное сопротивление потерь катушки, и реактивный ток цепи Iк .
Внутри цепи протекает реактивный ток с достаточно большой величиной:

Iк=IQ,

но использует небольшой ток от источника, который необходим только для компенсации потерь в цепи:

Я=У/З.

Добротность Q параллельной цепи, в отличие от последовательной, показывает, во сколько раз ток в элементах цепи больше тока потребления источника:

Q ≈ Iк/I.

На рис. 16 показан конкретный пример параллельного колебательного контура, где видно, что ток контура в Q раз превышает ток источника.

 

В радиоприемниках применяется и непосредственная связь колебательного контура с антенной, т е контур включается параллельно источнику сигнала (рис. 17).
Переменным конденсатором настраиваем схему на частоту сигнала нужной радиостанции.

При резонансе контурный ток, вызванный искомой радиостанцией, становится относительно большим, а сопротивление контура также велико, поэтому между точками а и б получается значительное напряжение.
Для других станций схема дает небольшое сопротивление и радиосигнал уходит на землю”.

Польза и вред резонанса

Чтобы сделать вывод о преимуществах и недостатках резонанса, необходимо рассмотреть, в каких случаях он может проявляться наиболее активно и заметно для деятельности человека.

Положительный эффект

Феномен отклика широко используется в науке и технике. Например, на этом явлении основана работа многих радиотехнических схем и устройств.

  • Двухтактный двигатель. Глушитель двухтактного двигателя имеет особую форму, предназначенную для создания явления резонанса. Улучшает работу двигателя за счет снижения расхода топлива и загрязнения. Этот резонанс частично уменьшает несгоревшие газы и увеличивает компрессию в цилиндре.
  • Музыкальные инструменты. В случае струнных и духовых инструментов звукообразование происходит в основном за счет возбуждения колебательной системы (струны, воздушные столбы) до возникновения явления резонанса.
  • Радиоприемники. Каждая радиостанция излучает электромагнитную волну с четко определенной частотой. Чтобы захватить его, цепь RLC принудительно вибрирует с помощью антенны, которая улавливает любые достигающие ее электромагнитные волны.

Для прослушивания станции необходимо настроить собственную частоту контура RLC на частоту требуемого передатчика путем изменения емкости переменного конденсатора (операция выполняется нажатием кнопки поиска станции). Все системы радиосвязи, будь то передатчики или приемники, используют резонаторы для «фильтрации» частот сигналов, которые они обрабатывают.

  • Магнитно-резонансная томография (МРТ). В 1946 году два американца, Феликс Блох и Эдвард Миллс Перселл, независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса, также называемое ЯМР, что принесло им Нобелевскую премию по физике.

Отрицательное воздействие

Однако явление не всегда полезно. Часто можно встретить упоминания о случаях, когда висячие мосты ломались, когда солдаты шли по ним «в ногу». При этом они ссылаются на проявление резонансного эффекта эффекта резонанса, и борьба с ним приобретает масштабный характер.

  • Автотранспорт. Автомобилистов часто раздражает шум, возникающий при определенных скоростях движения автомобиля или в результате работы двигателя. Некоторые слегка округлые части тела резонируют и издают звуковые колебания. Сам автомобиль с его системой подвески представляет собой осциллятор, оснащенный эффективными демпферами, предотвращающими резкий резонанс.
  • Мосты. Мост может совершать вертикальные и поперечные колебания. Каждый из этих типов колебаний имеет свой период. Если линии подвешены, система имеет совершенно другую резонансную частоту.
  • Здание. Высокие здания чувствительны к землетрясениям. Некоторые пассивные устройства позволяют их защитить: это генераторы, собственная частота которых близка к частоте самого здания. Таким образом, энергия полностью поглощается маятником, что предотвращает разрушение здания.

Применение на практике

Рассмотрим преимущества и недостатки резонанса токов и напряжений. Явления резонанса обеспечили наибольшее преимущество в радиопередающем оборудовании. Простыми словами, в цепи приемника установлены катушка и конденсатор, подключенные к антенне.

Изменяя индуктивность (например, перемещением сердечника) или величину емкости (например, воздушного переменного конденсатора), вы настраиваете резонансную частоту. В результате напряжение на катушке повышается и приемник улавливает определенную радиоволну.

Эти явления могут вызывать повреждения в электротехнике, например, в кабельных линиях. Кабель представляет собой распределенные по его длине индуктивность и емкость, напряжение которых приложено к длинной линии в состоянии покоя (когда на противоположном от источника питания конце кабеля не подключена нагрузка).

Поэтому существует риск пробоя изоляции, во избежание этого подключается балласт нагрузки. Подобная ситуация может привести и к выходам из строя электронных компонентов, измерительных приборов и другого электрооборудования – таковы опасные последствия этого явления.

Итог

Явление резонансного напряжения весьма интересно и заслуживает внимания. Резонанс возможен только в индуктивно-емкостных цепях. В линиях с высоким активным сопротивлением это явление невозможно.

 

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector